摘要
並聯插電式混合動力汽車(PHEV)具有發動機和電池兩個動力源，由於動力系統複雜，由多個熱源、可變溫度和多個溫度間隔引起，因此其熱管理至關重要。在這項工作中，整合熱管理系統(TMS)是為並聯PHEV設計的，它包括高溫(HT)冷卻劑迴路、中溫(MT)冷卻劑迴路、低溫(LT)冷卻劑迴路、製冷劑迴路和電池冷卻液迴路。該模型採用邏輯閾值法制定控制策略，選取各關鍵部件的溫度作為控制引數。整合的TMS模型由AMESIM軟體搭建。結果表明，整合的TMS可以為乘員艙、發動機、電機和機器控制器、電壓轉換器和電池系統等部件提供令人滿意的熱環境。當原始溫度偏低或偏高時，透過300秒內快速暖機或更快降溫程式，將機艙溫度平衡在22°C
。對於電池系統，在極端高溫條件下和連續工作條件下
，電池溫度低於50°C。單體電池之間的最高溫度差低
於5°C，保證單體電池的溫度一致性。
介紹
並聯插電式混合動力汽車（PHEV）增加了電池和電驅動系統等部分。具有多熱源、多溫區、變溫等特點。因此，PHEV的整合熱管理系統(TMS)變得更加複雜和重要。TMS的設計不僅影響部件的可靠性和壽命，而且影響車輛的排放和效率。為確保所有關鍵部件在最佳工作間隔內工作，TMS根據不同部件的工作溫度劃分冷卻迴路。
目前，大量學者對汽車動力系統的TMS進行了研究。根據冷卻迴路的數量，目前有單冷卻系統迴路劃分和多冷卻迴路劃分。N. Staunton等比較了單一冷卻迴路與多個冷卻迴路的電力系統散熱情況，研究結果表明，將熱量分散到多個冷卻迴路，可以有效降低電路的熱負荷，散熱效果更好。Yi Chun. Wang等人為混合動力系統設計了具有高低溫雙迴圈迴路的TMS，將高溫熱源元件與低溫熱源元件分離，有效提高了冷卻系統的冷卻效率。Sathish、Xiao Lin Liang和Michael Bassett等人根據每個熱源的熱值和工作環境將冷卻系統根據發熱量和工作情況分為HT冷卻液迴路（發動機、乘員艙）、MT冷卻液迴路（電機、發電機、電力電子）和LT冷卻液迴路（電池）三個冷卻子系統。結果表明，TMS能夠滿足電力系統各部件最佳工作溫度的要求。但是，對於電驅動系統，電機和電機控制器的最佳工作溫度與DC/DC和DC/AC有很大不同。採用統一的冷卻迴路對兩部分進行冷卻，不能同時滿足要求，造成一定的能源浪費。
電池組是並聯PHEV的重要儲能部件。其中對溫度特別敏感。溫度過高或過低都會影響電池壽命、充放電效能和安全性。因此在考慮冷卻迴路的劃分時也應考慮電池組，這對電池熱管理系統的研究至關重要。根據冷卻介質的不同，電池的冷卻方式主要有風冷、液冷、相變材料冷卻、組合冷卻等。然而，無論採用何種冷卻方式，都難以滿足電池在高環境溫度和高放電率條件下的散熱需求。因此，提出了一種使用車輛空調系統的電池組熱管理方案。Qiu Yu Ning設計了一種熱管理系統，藉助空調製冷劑迴圈對電池進行散熱，利用冷水機交換電池冷卻液和空調製冷迴路的熱量，實現電池的冷卻。這種方法可以有效地保證電池工作在最佳工作溫度範圍內，以及各個電池之間的溫度一致性。基於
熱泵空調系統，Dong
Ouyang直接將一部分製冷劑引入電池組，以散發電池組的熱量。透過Fluent模擬發現，這種冷卻方式可以在各種工況下將電池溫度控制在45°C以內，保證單個電池之間的溫度一致性。但是這種方式對電池組內部流道的設計有更高的要求。Ding genLi設計了一個系統，引入機艙空氣來冷卻電池組。假設電池組內的冷空氣溫度為20°C，可以透過改變入口風速來研究冷卻效果。Fluent環境下的模擬結果表明，透過合理控制風扇轉速和改變引入電池組的風量，可以將電池溫度控制在45°C以下。但這種冷卻時間長，在高溫下冷卻效果差。
車廂溫度與駕乘人員的舒適度密切相關。低溫環境下乘員艙常見的加熱方式包括PTC加熱、熱泵空調加熱、發動機餘熱回收、電驅動系統餘熱回收等。奧迪Q7]
採用熱泵空調系統來控制車廂溫度。這樣，在高溫環境下，車廂溫度控制在22℃左右。但機艙加熱時間較長，
影響了乘客的舒適度。
Ferraris, W等對比分析了PTC輔助加熱裝置和熱泵裝置在低溫環境下對乘員艙的加熱效果。結果表明，PTC輔助加熱裝置可在300s內對乘員艙進行預熱，並能實現快速預熱，但耗電量較大。熱泵系統制熱速度慢，所需預熱時間長，制熱效能差，但能耗較低。
上述研究大多集中在單一目標熱管理系統上，很少考慮整合熱管理系統。本文設計了一種PHEV綜合熱管理系統，它集成了發動機系統、電池系統、乘員艙、電驅動系統等，根據不同的環境溫度和目標溫度，協同控制各個子系統的工作。此外，Chiller用於參考空調製冷劑進行電池系統的熱管理。艙內採暖採用PTC輔助加熱和發動機餘熱回收。整合的TMS可以在保證各部件效能的前提下儘可能的節約能源。
理論方法
車輛引數
為了設計並聯PHEV車輛的綜合熱管理模型，選擇並聯PHEV車輛進行庫存轉換實驗。對從實驗中獲得的車輛引數進行建模和模擬。該車的具體引數如表1所示：
表1車輛及關鍵部件引數
一維模型
本文設計的並聯PHEV熱管理系統如圖1所示。整合的TMS包括HT冷卻劑迴路、MT冷卻劑迴路、LT冷卻劑迴路、製冷劑迴路和電池冷卻劑迴路。HT冷卻液迴路用於冷卻發動機系統和加熱乘員艙。發動機冷卻系統包括髮動機、水泵、節溫器、風扇、散熱器等部件。MT冷卻液迴路包括電機、機器控制器、水泵、風扇、散熱器、
閥門等。LT冷卻液迴路包括DC/DC、DC/AC、水泵、
風扇、散熱器、閥門等。雖然MT冷卻液電路和LT冷卻液迴路屬於電驅動系統，電機和電壓轉換器的最佳工作溫度有很大不同。為了精確控制各部分的工作溫度，提高電機的工作效率，電驅動系統分為兩個獨立的冷卻迴路。
圖1PHEV汽車整合TMS示意圖
散熱器的熱交換利用式（1）：
式中：Qrad為熱交換量，Aexch為散熱器內部傳熱面積，Tout為散熱器出口冷卻液溫度，Tin為散熱器進口冷卻液溫度，U是傳熱係數。
U由等式(2)計算：
其中：km是散熱器流道的熱導率，Gair是氣體側的質量流量，Glip是液體側的質量流量，αair,βair是空氣側對流的修正係數，αlip,βlip是流體側對流的修正係數。
集總引數法是利用壓升和流量之間的數學關係來描述風機模型的。由公式(3,4,5)計算：
其中：dp為壓差，Cflow為體積質量係數，Cpressure為壓力系數，Q為體積氣流速率，N為風機轉速，ρ為空氣密度，D為風機葉輪直徑。本機型選用變速離心泵，根據目標溫度調節泵的轉速。泵出口處的壓力由下式計算:
Pout是出口壓力，Q是冷卻液的體積流量，η是效率，P是有效功率。
座艙加熱器系統包括PTC加熱器、泵、熱交換器、閥門等部分。透過熱交換器提高乘員艙溫度，利用發動機餘熱回收熱量，並結合PTC輔助裝置。
換熱器的溫度效率由式(8)計算:
其中：Th1為高側入口溫度，Th2為高側出口溫度，Tc2為低側出口溫度。製冷劑迴路包括壓縮機、膨脹閥、蒸發器、冷凝器、冷水機等，主要實現兩個功能：1、在高溫環境下為車廂降溫；2、透過冷水機與電池冷卻液進行熱交換，帶走電池冷卻液熱量，降低電池溫度。
壓縮機為空調系統提供迴圈動力，其效能主要體現在容積效率、等熵效率和機械效率上，如式(9)-(11)所示：
其中：mcom是製冷劑質量流量，N是壓縮機轉速，ρs是吸入密度。Vdisp是壓縮機排量。hs是吸入比焓。hdis是等熵放電比焓。hd是排放比焓。τ是壓縮機輸出扭矩。膨脹閥是可變面積節流閥。流經膨脹閥的製冷劑質量流 量由式（12）表示：
式中：Cv為節流係數，A0為膨脹閥的最小過流截面積。ρ為製冷劑密度，ΔP為蒸發器進出口壓差。
前艙TMS的佈置
前艙並聯PHEVTMS的佈置是一個值得關注的重要問題 。利用AMESIM軟體的HEAT模組建立空氣側壓力模型 。將有限的發動機艙空間佈置、部件的相對位置、流道結構結合散熱器和風扇空氣壓力的波動納入計算，以評估發動機艙內氣流和傳熱的擾動。
當車輛在高速、爬坡等高負荷工況下混合執行時，發動機出口冷卻液溫度遠高於電機和電壓轉換器的溫度。同時，整車驅動電機在行駛過程中的功率損耗較大。例如發現車速為90km/h時，功率損耗高達3kw以上。損耗主要表現為繞組損耗和內部損耗，最終轉化為散熱。因此，電壓轉換器的冷卻液工作溫度較低，發動機和電機的散熱器佈置在冷凝器後面，透過使散熱器與冷卻空 氣接觸來加速散熱。
控制策略
圖2顯示了並聯PHEV車輛的整合熱管理控制策略。溫度引數的含義如表2所示。
表2 流程圖中各字母引數含義
圖2.a為發動機系統熱管理控制策略流程圖，透過溫度閥引數T1、Topen和Tmopen控制發動機溫度；圖2.b為乘員艙暖風系統控制流程圖。溫度閥引數Te和T2用於確定是否應加熱乘員艙。圖2.c是電機和電機控制器的熱管理控 制策略流程圖。閥門2和閥門3的開啟狀態以及風機和水泵的轉速由溫控引數T3和設定的溫度閥門控制。圖4.d為電壓變換器熱管理控制策略流程圖。閥門4和閥門5的開啟狀態以及風機和泵的轉速由溫度引數T4和設定溫度閥門制；溫度引數Te和T5用於控制空調系統的開關狀態和閥門4和閥門5的開啟狀態，使車廂溫度和電池溫度工作在最佳溫度範圍內。透過上述控制策略協調PHEV熱管理系統的工作，確保所有關鍵部件和乘員艙溫度都在最佳溫度範圍內。
圖2 整車整合熱管理系統控制策略示意圖
最高工作溫度條件
關於不同部件的最大工作冷卻液出口溫度條件，資訊表3總結了與FCA標準或其他規範相關的已知執行條件，或根據經驗設定的合理執行條件。特別是發動機系統有兩種形式的工況。發動機出口冷卻液溫度和環境溫度之間的差異是在臨界執行條件下測量的。冷卻液出口的最高溫度是在正常操作條件下測量的。
表三 插電式混合動力汽車熱管理子系統的最高溫度執行條件
結果和討論
為了簡化模型並節省模擬時間和成本，本文首先研究了極端工作條件下子系統熱管理系統的效能，然後研究了整合TMS的效能。
各子系統散熱分析
由於車輛工況的多樣性和複雜性，只有車輛熱管理模型才能滿足極端工況下的溫度需求，滿足複雜多變工況下的溫度需求。在本文中，極端環境的溫度包括高溫（45 °C、38°C）和低溫（-20°C）。極端條件包括急加速和急減速（0到100km/h和100km/h到0）和高溫爬坡，以及車輛在平地上的最大速度。並聯PHEV在不同工作模式下工作時，各部件的發熱量不同，因此選擇各部件發熱量最高的車型進行動態實驗。例如，電池和電驅動系統在汽車純電動模式下產生的熱量最高，因此選擇純電動模式進行實驗模擬。同樣，在電池充電的情況下，發動機既需要動力輸出，又需要電池充電，因此需要大功率和高發熱量。
發動機
圖3顯示了在混合模式下極端工作條件下，HT冷卻液迴路對發動機系統的影響。從圖3.a可以看出，平地最高速度、90km/h和8%爬坡工況、60km/h和8%爬坡工況三種極端工況。根據圖3.a虛線中三種極端工況的ETD對比。可以看出，90km/h和8%工況的ETD最高達到70°C，距離最高工況溫度為9°C的安全裕度。
圖3.b為低溫連續NEDC工況下發動機出口冷卻液溫度。可以看出，車輛起步時，發動機出口冷卻液溫度迅速升高，使發動機系統預熱迅速。升至85℃時開始小範圍波動，最終穩定在85℃左右。85°C在發動機的最佳工作溫度範圍內。因此本文設計的HT冷卻迴路可以在低溫下快速預熱發動機，保證發動機在極端條件下的效能。
圖3 高溫冷卻迴路極端條件下發動機出口冷卻液溫度
乘員艙內的暖空氣系統
圖4分析了純電動和混合動力模式下的車廂溫度變化。從圖4.a可以看出，在混合動力條件下，艙室溫度在開始的500s迅速上升，主要由PTC輔助加熱裝置加熱。然後隨著發動機出口冷卻液溫度的升高，PTC加熱器關閉，機艙由發動機餘熱加熱，機艙溫度保持在22°C。圖4.b為純電動模式下的車廂溫度和PTC功率曲線。PTC加熱器可在300秒內加熱乘員艙，並保持乘員艙溫度穩定在22°C
。但PTC功率在冷啟動階段達到3.5kW，然後穩定在2.8kW以維持乘員艙溫度。
如圖4所示，乘員艙暖風系統採用高溫迴路餘熱和PTC輔助加熱方式，既保證了乘員艙系統在低溫環境下的快速預熱，又達到了節能的目的。提高PHEV的範圍。
圖4 乘員艙暖風系統結果
電機和機器控制器
電機和機器控制器在純電動模式下處於最大負載。三種極端情況是包括快速加減速工況、爬坡工況、低溫連續NEDC工況等模擬分析。
從圖5.a可以看出，在快速加減速條件下，電機和機器控制器的最高出口冷卻液溫度分別為87.6和81.3°C，安全裕度分別為2.4°C和3.7°C。最高工作溫度條件。圖5.b表明，在高溫爬坡條件下，電機和機器控制器的最高出口冷卻液溫度分別為84.3°C和76.7°C，安全裕度分別為5.7°C和8.3°C。最高工作溫度條件。圖5.c顯示，低溫連續NEDC電機和機器控制器出口處冷卻液的最高出
口冷卻液溫度分別為86.5°C和77.6°C，兩者之間的安全裕度為分別為3.5°C和7.4°C。
圖5 電機和機器控制器出口冷卻液溫度
從結果可以看出，MT熱管理子系統能夠滿足電機和機器控制器在不同工作模式和各種工況下的溫度要求。
電壓轉換器
電壓轉換器在純電動模式下負載最大，在純電動模式下在快速加減速工況、爬坡工況和低溫NEDC工況下進行模擬研究。
從圖6.a可以看出，DC/AC和DC/AC在急加速和減速條件下的最高冷卻液出口溫度分別為57.52°C和54.5°C，距最高工作溫度條件的安全裕度分別為2.5°C和6 °C。圖6.b顯示了爬坡工況的模擬結果。可以看出，DC/DC和DC/AC的最高冷卻液出口溫度分別為54.53℃和57 ℃，低於最高工作溫度。根據圖6.c，在連續NEDC工況 下，DCDC和DCAC的最高冷卻液出口溫度分別為54.9 °C和54.3°C，安全裕度分別為5.1°C和5.7°C。所有模擬結果均滿足設計目標的要求，因此本文設計的LT冷卻液迴路能夠滿足極端駕駛條件和普通駕駛條件下DC/DC和DC/AC的溫度要求。
空調系統及電池系統
在純電動模式下，電池的發熱量最大。電池熱力學效能 研究在車輛最高速度條件下選擇純電動模式。
比較分析有無電池冷卻迴路時電池的溫度變化。從圖7.a可以看出，在沒有電池冷卻裝置的情況下，電池出口冷卻液溫度均勻升高（未達到功率限制器溫度閾值），這會影響電池效能。另一方面，電池冷卻液透過Chiller散熱，單個電池出口冷卻液溫度的最高溫度控制在45.45° C，與最高工作溫度有9.55°C的安全裕度。單體電池最大溫差控制在3.14°C，與最大溫差有1.86°C的安全裕度。
圖7.b顯示了在冷水機和乘員艙溫度下電池冷卻劑入口和出口溫度的模擬結果。可以看出冷水機進出口溫差大於10℃。
圖6 溫度電壓轉換器
圖7 空調系統和電池系統溫度變化曲線互動模擬
這說明電池冷卻液在Chiller中散熱量大。與此同時，乘員艙溫度迅速下降，最終穩定在22℃左右。說明空調製冷劑可以很好地吸收電池冷卻液的熱量，也保證了乘員艙的溫度。
基於以上分析可以看出，本文設計的空調與電池互動模擬系統對溫度的響應速度較快。可在短時間內將車內溫度穩定在22°C左右，保證電池最高溫度和單體電池溫差在要求範圍內。
圖8 並聯PHEV各部位溫度變化曲線
綜合熱管理系統的效能
US06模式主要用於模擬車輛在主幹道和高速公路上的行駛狀態。在這種情況下，車輛的速度和加速度較大，車輛對動力的需求較高，導致各部件的發熱量較高。該工況下的模擬分析可以很好地反映本文設計的整合TMS的工作特性。圖8為整合TMS在高US06連續狀態下的模擬結果。
從圖8.a可以看出，車輛啟動時，發動機出口冷卻液溫度迅速上升，上升到89℃後開始下降。溫度在85℃～95℃之間波動，滿足發動機最佳工作狀態的要求。圖8 .b顯示了乘員艙的溫度變化。可以看到，艙內溫度在200s 的時候迅速下降到22℃，最終穩定在22℃左右。圖8.c顯示了電機和機器控制器的溫度變化曲線。可以看出，電機最高出口冷卻液溫度為87°C，溫度穩定在80°C-85 °C之間，而機器控制器最高出口冷卻液溫度為79°C， 溫度穩定在75°C和80°C之間。圖8.d顯示了DC/DC和DC/AC的溫度變化曲線。可以看出，DC/DC的最高出口冷卻液溫度為54°C，DC/AC的最高出口冷卻液溫度 為56°C，目標最高工作溫度的安全裕度為4°C和6°C 。
從圖8.e可以看出，在混合動力US06的工作條件下，電池的輸出功率和發熱量都比較低。因此，隨著空調製冷系統的降溫，單體電池的出口冷卻液溫度迅速下降，穩定在30℃左右。
基於模擬分析，本文設計的整合TMS和控制策略可以將發動機、電機、機器控制器和電壓轉換器的溫度控制在最大執行要求範圍內。此外，單體電池的最高出口冷卻液溫度和電池組中單體電池之間的最大溫差滿足設計要求，乘員艙溫度可控制在目標溫度範圍內。
結論
整合TMS專為並聯PHEV設計，包括HT冷卻劑、MT冷卻劑迴路、LT冷卻劑迴路、製冷劑迴路和電池冷卻劑迴路。
對整合TMS子系統的效能進行了研究，所有子系統均滿足極端條件下的散熱效能要求。US06的條件用於驗證整合TMS的效能。從模擬來看，HT冷卻液迴路能夠滿足發動機大功率負載下的溫度要求；空調系統在滿足客艙舒適度要求的同時，可以快速為電池降溫。對於電驅動系統，電機和電壓轉換器的溫度處於最佳工作溫度範圍內。這表明透過將電驅動迴路分為MT和LT冷卻液迴路 ，保證了電機在大功率下的效能。
該研究對於提高PHEV所有關鍵部件的工作效能，特別是電機和電池效能，增加混合動力汽車的續航里程和節省燃油具有重要意義。更重要的是，這項研究有助於PHEVTMS的實驗和理論分析。
